蘆山M7．0地震建筑結(jié)構(gòu)震害特征*S

徐 超 陳 波 李小軍 陳學(xué)良呂紅山 耿 飛 溫增平

（中國北京 100081 中國地震局地球物理研究所）

引言

2013年4月20日8時2分，四川省雅安市蘆山縣（30．3°N，103．0°E）發(fā)生MS7．0地震，地震震源深度13km．這是繼2008年5月12日汶川特大地震之后龍門山斷裂帶又一次災(zāi)難性地震事件．震中距成都約110km，距汶川大地震震中不足100km．截至4月28日8時，共記錄到余震5 531次，其中MS≥3．0地震113次，最大余震為MS5．4．截至4月24日14時30分，共造成196人遇難，失蹤21人，11 470人受傷，累計造成231余萬人受災(zāi)（中國地震局，2013a）．地震發(fā)生后，中國地震局地球物理研究所立即啟動應(yīng)急響應(yīng)，地震現(xiàn)場工作隊于當(dāng)天上午出發(fā)奔赴災(zāi)區(qū)開展現(xiàn)場震害調(diào)查、災(zāi)害損失評估等工作．通過對蘆山縣、天全縣、滎經(jīng)縣、漢源縣和石棉縣的震害調(diào)查，收集了災(zāi)區(qū)各種典型建筑結(jié)構(gòu)的震害資料．基于這些震害資料，本文初步分析了這次地震中土木結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)、砌體－框架混合結(jié)構(gòu)及框架結(jié)構(gòu)房屋的震害特征，并結(jié)合典型建筑結(jié)構(gòu)震害案例，從抗震概念設(shè)計和抗震構(gòu)造措施的角度對震害機理進(jìn)行了探討，旨在為今后的建筑物抗震設(shè)計提供參考．

1 房屋建筑震害特征

蘆山地震發(fā)生在四川西部山區(qū)，震中位于雅安市蘆山縣龍門鄉(xiāng)、寶盛鄉(xiāng)、太平鎮(zhèn)交界，距蘆山縣城只有10km．根據(jù)中國地震局發(fā)布的地震烈度圖，震中烈度高達(dá)Ⅸ度，全部受災(zāi)面積約18 682km2，如圖1所示．由于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟相對比較落后，多數(shù)民房破壞嚴(yán)重，特別是偏遠(yuǎn)山區(qū)，道路極不方便，房屋多以土木和磚木結(jié)構(gòu)為主．有些房屋由于受汶川地震等因素影響，還沒有來得及重建或者加固，在這次地震中破壞也很嚴(yán)重．在汶川地震之后重建或者加固的房屋，大多表現(xiàn)良好．

震區(qū)房屋建筑的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，本文將其主要分為以下幾類：木結(jié)構(gòu)、土坯－木屋架結(jié)構(gòu)、砌體－木屋架結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)（包含砌體－框架混合結(jié)構(gòu)）及鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)．此外，蘆山縣人民醫(yī)院的主樓，是國內(nèi)首個經(jīng)歷大地震檢驗的隔震建筑，在震后受到廣泛的關(guān)注，本文將其單獨列出加以分析．下面分別介紹各類建筑的震害特征．

1．1 土坯－木屋架房屋

部分偏遠(yuǎn)山區(qū)，如漢源縣小堡藏彝族自治鄉(xiāng)，由于經(jīng)濟落后，交通不便，水泥、砂石、鋼筋等運送很不方便，絕大多數(shù)房屋仍然是以土坯墻為承重結(jié)構(gòu)，屋架大梁直接搭在橫山墻上．而且這樣的房屋多數(shù)年代久遠(yuǎn)，房屋土坯墻體底部大多已剝蝕嚴(yán)重，墻體承載力低，抗震性能較差．雖然遠(yuǎn)離極震區(qū)，但仍然受到不同程度的損害，如墻體開裂、木屋架塌陷等，如圖2所示．

圖1 2013年4月20日四川省蘆山MS7．0地震烈度圖（據(jù)中國地震局（2013b）2013年4月25日發(fā)布的烈度圖修改）Fig．1 Seismic intensity map of Lushan，Sichuan，MS7．0earthquake occurred on 20April 2013（revised after the seismic intensity map issued by China Earthquake Administration（2013b）on 25April 2013）

圖2 土木結(jié)構(gòu)房屋的震害．（a）墻體開裂；（b）木屋架塌陷Fig．2 Seismic damages of adobe-wood buildingss．（a）Wall crack；（b）Collapse of timber roof truss

1．2 木結(jié)構(gòu)

由于木材可以就地取材，相對造價較低，在一些鄉(xiāng)村，木結(jié)構(gòu)房屋還是一種比較常見的結(jié)構(gòu)形式．由于木結(jié)構(gòu)房屋具有較好減震耗能連接方式，如榫卯節(jié)點、柱腳“平擺浮擱”以及斗拱等（潘毅，王超，2012）．在此次地震中，多數(shù)這類房屋并未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞．但這類房屋往往年代久遠(yuǎn)，甚至上百年，年久失修，部分房屋出現(xiàn)梁柱歪斜，屋面坍塌，甚至完全倒塌的情況．也有一些房屋內(nèi)的隔墻使用砌體或者土坯，由于與主體結(jié)構(gòu)連接不夠，出現(xiàn)傾倒情況．該類房屋的震害如圖3所示．

1．3 砌體－木屋架結(jié)構(gòu)

砌體－木屋架結(jié)構(gòu)房屋采用磚墻承重，屋面采用硬山擱檁，檁條上直接鋪瓦的結(jié)構(gòu)形式；無鋼筋混凝土構(gòu)造柱和圈梁．這類房屋在災(zāi)區(qū)較為常見，以民房居多．由于沒有抗震構(gòu)造措施，其抗震性能普遍較差，加之為了節(jié)約成本，農(nóng)民自建房中很多采用“12”墻承重，導(dǎo)致了該類房屋在這次地震中遭受了較為嚴(yán)重的破壞．其震害主要表現(xiàn)為嚴(yán)重掉瓦、屋架坍塌、墻體嚴(yán)重開裂、墻體倒塌等，典型震害如圖4所示．

圖3 木結(jié)構(gòu)房屋震害．（a）基本完好；（b）屋架局部塌陷；（c）隔墻倒塌Fig．3 Seismic damages of wood buildings．（a）Basically well-remained；（b）Local collapse of roof truss；（c）Collapse of partition wall

圖4 砌體－木屋架房屋震害．（a）掉瓦；（b）屋架坍塌；（c）墻體嚴(yán)重開裂；（d）“12”厚墻體外閃倒塌Fig．4 Seismic damages of masonry-timber roof truss buildings．（a）Drop of tile；（b）Collapse of roof truss；（c）Serious crack of wall；（d）Collapse of 12cm thick wall

1．4 磚混結(jié)構(gòu)

地震區(qū)村鎮(zhèn)的住宅、教學(xué)樓、醫(yī)院，城市的一些舊的居民樓、辦公樓多采用的磚混結(jié)構(gòu)，是震區(qū)非常常見的一種結(jié)構(gòu)類型．災(zāi)區(qū)的磚混結(jié)構(gòu)墻體多采用燒結(jié)普通粘土磚，也有個別使用混凝土小型空心砌塊．此次地震中，該類型房屋的震害主要表現(xiàn)為承重墻及窗間墻的嚴(yán)重開裂（X形剪切裂縫）、局部壓碎或坍塌．少數(shù)房屋出現(xiàn)完全倒塌的情況，但也有相當(dāng)一部分磚混結(jié)構(gòu)由于墻體嚴(yán)重?fù)p壞已經(jīng)不能再繼續(xù)使用．磚混房屋的震害如圖5所示．比較典型的破壞原因有：墻體單薄，承載力不足（承重墻有為數(shù)不少的“18”墻和“12”墻）；采用強度較低的石灰砂漿代替水泥砂漿砌筑；未設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁，開窗較大和較多，結(jié)構(gòu)整體性較差．

圖5 磚混結(jié)構(gòu)震害．（a）承重墻剪切裂縫；（b）承重墻嚴(yán)重破壞；（c）窗間墻剪切裂縫；（d）“18”厚承重墻局部垮塌；（e）非承重墻外閃倒塌；（f）毀壞的砌體結(jié)構(gòu)Fig．5 Seismic damage of masonry buildings．（a）Shear cracks of bearing wall；（b）Serious damage of bearing wall；（c）Shear cracks of wall between windows；（d）Local collapse of 18cm thick bearing wall；（e）Collapse of non-bearing wall；（f）Destroyed masonry building

1．5 砌體－框架混合結(jié)構(gòu)

砌體－框架混合結(jié)構(gòu)主要指底框磚混結(jié)構(gòu)（豎向混合，底部框架或者部分框架，上部磚混），也有部分框架－部分磚混（水平混合）的結(jié)構(gòu)．這類結(jié)構(gòu)的體系大多比較混亂，在這次地震中遭受了不同程度的損壞．底框結(jié)構(gòu)的底層往往作為商鋪使用，開間較大，填充墻設(shè)置較少，導(dǎo)致底層的抗側(cè)剛度不足，形成薄弱層，在地震作用下極易發(fā)生破壞．而對于部分框架－部分磚混的水平混合結(jié)構(gòu)，框架和砌體承重墻抗側(cè)力構(gòu)件的承載力和變形能力的不協(xié)調(diào)，以及平面抗側(cè)剛度的極不均勻都會加重震害．砌體－框架混合結(jié)構(gòu)的震害主要表現(xiàn)為底部框架由于變形集中在柱腳和梁柱，節(jié)點處出現(xiàn)塑性鉸，底部填充墻出現(xiàn)嚴(yán)重剪切破壞甚至倒塌；上部砌體結(jié)構(gòu)的破壞．圖6所示為這類結(jié)構(gòu)的主要震害情況．

1．6 框架結(jié)構(gòu)

在調(diào)查區(qū)域，框架結(jié)構(gòu)較為少見．該類房屋一般都經(jīng)過正規(guī)的抗震設(shè)計，震害也較輕．圖7所示為汶川地震后重建的龍門鄉(xiāng)街道上的框架結(jié)構(gòu)，只有極少數(shù)的填充墻出現(xiàn)輕微裂縫．

1．7 隔震結(jié)構(gòu)

圖6 砌體－框架混合結(jié)構(gòu)震害．（a）受損的底框結(jié)構(gòu)；（b）底層柱頂破壞；（c）底層柱底破壞；（d）底層柱中剪切裂縫；（e）底層填充墻破壞；（f）上部砌體結(jié)構(gòu)破壞Fig．6 Seismic damage of masonry-frame hybrid buildings．（a）Damaged of bottom frame structure；（b）Damage of the top of column；（c）Damage of the bottom of column；（d）Shear crack at the middle of column；（e）Shear cracks of infill wall；（f）Damage of the masonry structure on the top

圖7 框架結(jié)構(gòu)填充墻輕微裂縫Fig．7 Slight cracks on infill walls of reinforced concrete frame building

蘆山醫(yī)院綜合樓采用了橡膠墊減震技術(shù)，是震區(qū)唯一，也是我國第一棟經(jīng)歷地震檢驗的隔震建筑，其全貌如圖8a所示．該建筑在此次地震中表現(xiàn)良好，除局部個別墻體出現(xiàn)輕微裂縫外（圖8b），主體結(jié)構(gòu)以及附屬結(jié)構(gòu)（門、窗、吊頂、裝飾等）均未出現(xiàn)損壞．而與之相距不足100 m的蘆山博物館卻遭受了更為嚴(yán)重的損傷（圖8c）．值得注意的是，由于加了減震技術(shù)的綜合樓在地震作用下，其整體側(cè)向位移要大于一般結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致了主樓與底層附屬結(jié)構(gòu)連接處發(fā)生損壞，以及主樓與附屬樓產(chǎn)生碰撞造成連接處門診樓的梁柱發(fā)生破壞（圖8d，e）．這是隔震結(jié)構(gòu)在建造過程中需要注意的問題，應(yīng)在主體結(jié)構(gòu)與周圍附屬結(jié)構(gòu)之間設(shè)置一定的隔震措施，防止由于主體結(jié)構(gòu)過大的水平位移造成附屬結(jié)構(gòu)的破壞．

2典型震害的原因分析

2．1 開窗對抗震性能的影響

與汶川地震中建筑結(jié)構(gòu)的震害類似（熊立紅等，2008；李小軍等，2008），許多自建的砌體結(jié)構(gòu)底層存在門窗面積過大、開洞過多且位置不合適等問題，這不僅會造成結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的不足，而且會導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象，加重墻體的破壞程度．另外，承重墻過多的開窗會使得窗間墻體形成“短柱”，在地震作用下由于短柱效應(yīng)極易出現(xiàn)剪切破壞．不合理開窗造成的震害現(xiàn)象如圖9所示．

圖8 采用隔震結(jié)構(gòu)的蘆山醫(yī)院在蘆山地震中的表現(xiàn)．（a）蘆山醫(yī)院全貌；（b）填充墻輕微裂縫；（c）醫(yī)院對面蘆山博物館的震害；（d）主樓與附屬結(jié)構(gòu)連接處的破壞；（e）主樓與附樓連接處的破壞Fig．8 Seismic performance of isolated building．（a）Lushan Hospital；（b）Slight cracks on infill wall；（c）Damage of Lushan Museum opposite to Lushan Hospital；（d）Damage of connection between main building and attachment；（e）Damage of connection between main building and attached building

圖9 不合理開窗造成的震害加重．（a）承重墻不合理開窗；（b）承重墻開窗過大；（c）非承重墻開窗過大；（d）墻體開窗過多造成短柱效應(yīng)Fig．9 Inappropriate location of windows increasing the seismic damage．（a）Inappropriate location of windows on bearing wall；（b）Oversized window on bearing wall；（c）Oversized window on non-bearing wall；（d）Short column effect caused by excessive windows on the wall

2．2 不規(guī)則結(jié)構(gòu)的震害

我國建筑抗震設(shè)計規(guī)范對建筑體型均勻規(guī)整性有明確要求（中華人民共和國建設(shè)部，2001），歷次地震的震害現(xiàn)象多次說明了體型均勻規(guī)整的重要性（溫增平等，2009；李巨文等，2013）．然而這種平面或者立面布置不規(guī)則的結(jié)構(gòu)在災(zāi)區(qū)仍然非常常見，震害往往都比較嚴(yán)重．例如圖10a所示的二層外挑的豎向不規(guī)則磚混結(jié)構(gòu)在災(zāi)區(qū)尤為普遍，這類建筑由于“頭重腳輕”，加之底層墻體普遍較少，結(jié)構(gòu)整體的豎向剛度存在突變，很容易造成底層的嚴(yán)重破壞．圖10b所示為結(jié)構(gòu)平面呈不規(guī)則多邊形的磚混房屋，這類房屋容易在扭轉(zhuǎn)地震作用下出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞．圖10c，d為平面呈“L”型，豎向有質(zhì)量和剛度突變的建筑；由于傳力途徑不明確，在復(fù)雜的地震作用下均遭受了嚴(yán)重的破壞，已失去使用功能．

圖10 不規(guī)則布置造成的震害加重．（a）頭重腳輕；（b）平面呈多邊形；（c），（d）平立面均不規(guī)則Fig．10 Damage of irregular buildings．（a）Vertical uneven mass distribution；（b）Polygon layout；（c），（d）Irregular layout of both horizontal and vertical

2．3 屋頂樓梯間和加層的震害

調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，一些建筑的樓梯間或者頂部加層相對于主體結(jié)構(gòu)發(fā)生更為嚴(yán)重的破壞，如圖11所示．這種屋頂突起物，由于“鞭梢效應(yīng)”會增加其地震反應(yīng)，容易出現(xiàn)較主體結(jié)構(gòu)更明顯的震害，在房屋設(shè)計時應(yīng)盡量避免．圖11d所示的屋頂局部加層的嚴(yán)重震害是值得關(guān)注的問題．這種屋頂?shù)木植考訉油狈εc主體結(jié)構(gòu)的有效連接，不能與主體結(jié)構(gòu)有效形成整體；加之“鞭梢效應(yīng)”的存在，很容易出現(xiàn)墻體閃落甚至頂部結(jié)構(gòu)垮塌的現(xiàn)象．筆者曾經(jīng)在調(diào)查玉溪市房屋建筑特征時發(fā)現(xiàn)大量此類屋頂加層的房屋，對其抗震性能一直心存疑慮，希望此次地震的經(jīng)驗教訓(xùn)可以為相關(guān)部門提供一定的參考價值．

圖11 突出屋頂?shù)臉翘蓍g和加層的破壞．（a）屋頂樓梯間墻體開裂；（b）屋頂樓梯間墻體開裂；（c）屋頂樓梯間垮塌砸壞主體結(jié)構(gòu)；（d）屋頂加層結(jié)構(gòu)發(fā)生墻體閃落Fig．11 Damage of outshoot roof staircases and adding story．（a）Wall cracking of outshoot roof staircases；（b）Wall cracking of outshoot roof staircases；（c）Damage of main structure caused by collapsed outshoot roof staircases；（d）Collapse of walls of adding story

2．4 建筑之間的碰撞

由于不同相鄰建筑結(jié)構(gòu)形式，其高度、剛度和重量的不同，在地震作用下，往往結(jié)構(gòu)運動不協(xié)調(diào)，容易發(fā)生碰撞，進(jìn)而加重結(jié)構(gòu)損壞．例如圖12所示為兩棟高度不同的相鄰建筑之間未采取任何防震措施，由于相互碰撞造成了一定的破壞，而與之相近的另外兩棟建筑中間設(shè)置了一定的空間而未發(fā)生任何損壞．這種現(xiàn)象在歷次地震的震害中也比較多見，應(yīng)引起足夠的重視，在規(guī)劃和設(shè)計時應(yīng)采取相應(yīng)措施以避免這種情況的出現(xiàn)．

3 結(jié)論和建議

圖12 碰撞造成的破壞Fig．12 Damage caused by collision

每一次大地震所造成的災(zāi)難都值得廣大土木工程從業(yè)人員深思，地震中各類建筑物的表現(xiàn)極大地豐富了人們對其抗震性能的認(rèn)識．本文通過對蘆山MS7．0地震中房屋建筑的震害分析，得到以下幾點認(rèn)識：

1）由于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟相對落后，自建民房以土木、磚木等造價較低的結(jié)構(gòu)為主．此外，為了節(jié)省成本，許多承重墻厚度和砌筑砂漿不滿足要求，導(dǎo)致其抗震性能普遍較差．隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，在資金充裕的前提下，應(yīng)選擇更有利于抗震的結(jié)構(gòu)形式，逐步提高農(nóng)村中自建民房的抗震能力．

2）磚混結(jié)構(gòu)和砌體－框架混合結(jié)構(gòu)的抗震性能需要嚴(yán)格的抗震構(gòu)造措施給予保證，包括合理設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱和圈梁，合理設(shè)置承重墻的數(shù)量和開洞位置，加強承重墻的安全儲備，以及選擇規(guī)則的結(jié)構(gòu)平面和豎向布置等．

3）屋頂突起物及屋頂局部加層所形成的“鞭梢效應(yīng)”，以及相鄰建筑物之間的相互碰撞都會加重震害，在規(guī)劃和設(shè)計時應(yīng)采取相應(yīng)的措施以避免以上情況的出現(xiàn)．

4）為了提高經(jīng)濟落后地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，建議加強各級政府、行政部門和普通群眾的抗震防災(zāi)意識，加強結(jié)構(gòu)抗震體系和概念設(shè)計的教育，并在抗震構(gòu)造措施方面嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計規(guī)范的規(guī)定．對于農(nóng)村自建住宅，政府應(yīng)組織專業(yè)技術(shù)人員給予指導(dǎo)，合理選擇結(jié)構(gòu)形式并設(shè)置抗震措施，以最大程度地減少因建筑物抗震能力不足倒塌破壞造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失．

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